JP6322115B2 - 気体圧縮装置およびその起動方法 - Google Patents

Description

本発明は、例えばインバータ制御などの圧縮機の状態に応じたモータの制御が可能な気体圧縮装置に関する。

従来の気体圧縮装置では、延長コードに複数の電動工具を接続した状態で使用される場合などにおいて、電源電圧低下時、回転数が保持できるように、電圧の降下に対してモータへの供給電力を補うように電流が増加する。一方で、半導体の定格やブレーカの定格容量の制限から、最大電流が一定値(たとえば１５Ａ)以下になるように電流制限をかけたり、目標回転数を低下させたりしていた。

このような従来技術では、低電圧時にモータを駆動しようとした場合に、自機の起動に伴う電力消費によって更なる電圧低下を引き起こし、電力不足によって起動不良に至る恐れや、運転中の電圧低下によってモータの回転が停止してしまう恐れがある。

また、低電圧時には電流増加によって電力を補うものの、制御装置の電源供給、駆動回路における抵抗成分による損失が増加するため、制御装置の発熱量の増加や、モータへ実際に供給される電力がそれほど増えず、効率が悪いといった問題もあった。

特許文献１には、「空気圧縮機の電源制御装置を、整流器、駆動回路、電流センサ、電圧検出回路、制御回路等によって構成する。そして、電源から電源制御装置を経由してモータに通電することにより、圧縮機を運転してエアタンク内に圧縮空気を貯留する。また、制御回路は、電源電圧Ｖが低下したときに、エアタンク内に圧縮空気の貯えがある圧縮機のモータを省電力状態で運転しつつ、他の電気機器に対して優先的に電力を供給する。これにより、複数の電気機器が一緒に使用された場合でも、電源の過負荷状態や電流遮断器等の作動を防止することができ、各電気機器をそれぞれ円滑に使用することができる。」と記載されている（要約参照）。

特開２００６−２８８０５３号公報

上記従来技術によれば、インバータは電源電圧および電源電流を監視している制御回路によって、電源電圧が低下した場合には通常に比べて多くの電流を供給し、遮断器の容量などによって制限された電流の最大値に達すると、電流が所定の値以下に収まるようにモータの目標回転数を低下させたり、それでも電圧が低下し続け、あらかじめ設定された所定の値以下になった場合にはモータのへの出力を中止し、圧縮機を停止させたりしていた。

このため、圧縮機の起動負荷が大きい場合などには、圧縮機の継続的な運転に必要な電力が供給できず、モータがロックしてしまう場合があった。

また、電源電圧や、圧縮機を再起動させるときのタンク内圧力、同一電源に接続された他の電気機器の稼働状況によっては圧縮機の再起動に必要な電力が足りなくなり、モータがロックしたり、脱調することによって異音や振動が発生したりする場合がある。

本発明は、上述した従来技術の課題に鑑みなされたもので、圧縮機に供給される電源の品質が良くない場合や運転開始時の残圧力が大きく、大きな起動力が必要とされる場合においても、使用状況に応じて自らの起動方法を適切に制御でき、圧縮機の意図しない起動失敗を防ぐことが可能な気体圧縮装置を提供することを目的とする。

上記目的を達成するために、本発明は特許請求の範囲に記載の構成を採用する。
本発明は、上記課題を解決する手段を複数含んでいるが、本発明の気体圧縮装置の一例を挙げるならば、圧縮気体を生成する圧縮機と、前記圧縮機を駆動する電動機と、前記電動機を駆動する駆動回路と、前記圧縮気体を貯留するタンクと、前記駆動回路を制御する制御回路とからなる気体圧縮装置であって、前記制御回路は、前記圧縮機の起動時に、前記電動機の逆回転と正回転とを複数回繰り返し、シリンダ内部の圧縮気体の再膨張力を利用しながら徐々に下死点前角度と下死点後角度を大きくした後、前記電動機を正回転させて圧縮機を起動することを特徴とするものである。

また、本発明の気体圧縮装置の起動方法の一例を挙げるならば、圧縮気体を生成する圧縮機と、前記圧縮機を駆動する電動機と、前記電動機を駆動する駆動回路と、前記圧縮気体を貯留するタンクと、前記駆動回路を制御する制御回路とからなる気体圧縮装置の起動方法であって、前記電動機の逆回転と正回転とを複数回繰り返し、シリンダ内部の圧縮気体の再膨張力を利用しながら徐々に下死点前角度と下死点後角度を大きくするステップと、前記電動機を正回転させて圧縮機を起動するステップとを備えることを特徴とするものである。

本発明によれば、気体圧縮装置は電源の電圧が低下した場合においても、逆回転によって生じるシリンダ内圧の反力と、上死点までの機械角の増加によりモータの加速度が増すことによって、小電力で上死点を超えることが可能となり、圧縮装置が起動不良に至ることを抑止することができる。

また、圧縮機の最高出力に比して、小さな定格出力のモータを使用することができ、圧縮装置の小型化や低廉な圧縮装置を提供することが可能となる。

実施例１を示す気体圧縮装置のシステム構成図である。 実施例１を示す制御装置のインバータの具体的な回路構成例である。 実施例１を示す気体圧縮装置の圧力に応じた具体的な運転状態の時間変化を示す図である。 従来の気体圧縮装置の駆動状態を示す概略図である。 従来の気体圧縮装置における制御装置の具体的な回路信号を示す図である。 実施例１を示す気体圧縮装置の駆動状態を示す概略図である。 実施例１を示す気体圧縮装置のモータの構成を示す図である。 実施例１を示す制御装置の、演算処理の流れを示す図である。 実施例１を示す制御装置の具体的な回路信号を示す図である。 実施例２を示す制御装置の圧力と下死点前角度の関係を示す図である。 実施例３を示す制御装置の電源電圧と下死点前角度の関係を示す図である。 実施例４を示す制御装置の、演算処理の流れを示す図である。

本発明の実施の形態を、図面を参照しつつ説明する。

図１は、本発明の一例を示す気体圧縮装置のシステム構成図である。図において、圧縮装置は、電源１より供給される交流電力を制御装置２内部のブリッジダイオード３にて直流化し、位置センサ１１から得られる電動モータ９の角度情報をマイコンなどの制御回路７で演算し、所望の回転速度になるように駆動回路であるインバータ回路４を駆動し、該電動モータ９を回転させる。該電動モータ９によって駆動される圧縮機本体１０と、該圧縮機本体１０から吐出された圧縮気体を一時的に貯留する一時貯留タンク１３および該タンク内圧力を測定する圧力センサ１２とによって大略構成されている。なお、図１において、符号１４は逆止弁を、符号１５はレギュレータを、符号１６は配管を表す。

また、制御装置２には、電動モータ９へ供給される電源１の電圧を測定する電圧検出回路６および、電源の電流を監視する電源電流検出回路５や前記電動モータ９への出力電流を監視するモータ電流検出回路１７を備えている。また、制御装置２は圧縮気体の使用量を圧力センサ１２の信号から計算し、圧縮機１０の運転と停止を制御している。ここで、本実施例では交流電源１を直接整流して使用しているが、力率改善回路や昇圧回路を介してインバータ回路４を接続しても良い。

インバータ回路４は、三相モータの場合には図２に示すように６個のパワー素子４０１で構成されており、位置センサ１１から得られた位置信号２０によりモータ９の回転位置と回転速度を制御回路７にて演算し、所望の回転特性となるように前記パワー素子４０１の駆動信号１９にて出力を制御している。なお、図２において、符号１８は力率改善回路（ＰＦＣ）を示す。

本構成において、タンク１３の圧力が図３のように所定の上限値Ｐ＿ｓｔｏｐに達すると圧縮機は停止し、このとき、圧縮機本体のピストンはシリンダ内の隙間容積部に残った圧縮気体の反力により、図４の（ａ）のように下死点付近へ押し戻されて停止している。次に、図３のようにタンク１３内の圧縮気体が使用されるにつれて圧力が低下し、圧力が所定の下限値Ｐ＿ｒｅｓｔａｒｔに達するとモータ９を再起動させて、図４の（ｂ）のように再度圧縮工程が始まる。このとき、圧縮機１０を再起動する圧力の下限値が高い場合や、電源１の電圧が低下している場合、電源や回路保護のために電源電流検出回路５および、モータ電流検出回路１７で測定された値に応じて電流が制限され、モータ９への供給電力が少なくなってしまった場合には、シリンダ内の気体圧力をタンク１３内部の圧力以上に加圧することができなくなり、結果として圧縮気体を吐き出せずにモータ９が脱調やロックして図４の（ｃ）のように押し戻されてしまい、起動不良に至る場合がある。このときの制御装置２における位置信号２０（ＨＵ／ＨＶ／ＨＷ）と、駆動信号１９（Ｕｐ／Ｕｎ／Ｖｐ／Ｖｎ／Ｗｐ／Ｗｎ）、モータ９への供給電流（ＩＵ／ＩＶ／ＩＷ）の代表例を図５に示す。ここで、モータ電流の最大値はパワー素子４０１を保護するための許容電流値Ｉｍ＿ｐｋ以上となり、制御回路７にて過電流を検知し、モータ９への電力供給を中止している。

そこで本実施例では、電源電圧が所定の電圧より低下していると判断した場合、モータ９を駆動するに当たって、まず制御回路７によってモータ９が通常時と比して逆回転するようにインバータ４を駆動し、図６の（ａ）のようにモータ９を逆回転させる。その後、モータ９が図６の（ｂ）のように所定の下死点前角度ＢＢＤＣ（Ｂｅｆｏｒｅ Ｂｏｔｔｏｍ Ｄｅａｔｈ Ｃｅｎｔｅｒ Ａｎｇｌｅ）に達したのち、モータ９への出力を一旦停止し、図６の（ｃ）のようにモータ９の回転方向を逆回転から正回転へ切替える。このとき、シリンダ内部で圧縮された気体が再膨張する反力と、正回転開始角度から上死点までの助走可能な機械角度の増加に伴う加速区間の増加により、図６の（ｄ）のように回転速度が上昇し、従来に比して少ない電流でモータ９を回転でき、最終的に吐出弁が開放されて圧縮気体を吐出でき、図６の（ｅ）のように上死点を超えることが可能となる。

なお、モータを逆回転する角度は、逆回転方向に機械角０度から１８０度若しくは吐出弁の動作開始角度の範囲内の、例えば１２０度だけ回転させれば良い。

図７に、１０極１５スロットのＤＣブラシレスモータを示す。図において、符号３１はステータを、符号３２はコイルを、符号３３はロータを、符号１１ａ〜１１ｃは位置センサを示す。このようなＤＣブラシレスモータを用いた場合の、本実施例の演算処理の流れ図を図８に、そのときの制御装置２における電気信号を図９に示す。なお、図９において、ＨＵ／ＨＶ／ＨＷは位置信号を、Ｕｐ／Ｕｎ／Ｖｐ／Ｖｎ／Ｗｐ／Ｗｎは駆動信号を、ＩＵ／ＩＶ／ＩＷはモータへの供給電流を示す。

図８の流れ図において、まず、圧縮機再起動時にステップ１０１にて位置センサ１１を用いて停止しているロータの回転角度を測定し、ステップ１０２ではモータ９を逆回転方向に回転させる。次にステップ１０３では前記ロータの回転角度が所定の下死点前角度ＢＢＤＣであるか否か判断し、Ｎｏと判断された場合にはステップ１０２に戻り、以後、下死点前角度ＢＢＤＣに至るまで逆回転を継続する。ステップ１０３にてＹｅｓと判断された場合には、ステップ１０４にてモータ９の出力を停止し、ステップ１０５にてロータの回転角度を計測する。このとき、シリンダ内部の圧縮気体の再膨張力によってピストンが押し戻され、ステップ１０６にてモータ９が正回転されたか否か判断し、Ｎｏと判断された場合にはステップ１０５に戻り、位置センサ１１にてロータの回転角度の監視を続ける。ステップ１０６にてＹｅｓと判断された場合には、圧縮気体の再膨張力によってロータが正回転し始めたと判断できるため、ステップ１０７にてモータ９が正回転となるように出力を開始する。

本実施例については１回のみ逆回転させる仕様としているが、タンク１３内の圧力が高い場合や電源１から供給される電力が少ない場合などにおいては、逆回転と正回転とを複数回繰り返し、シリンダ内部の圧縮気体の再膨張力を利用しながら徐々に下死点前角度と下死点後角度を大きくしながら助走する方式としても良い。

なお、本発明において、「起動」とは、図３における「再起動」を含むものである。

本発明の実施例２は、タンク内圧力に応じて再起動時に逆回転させる下死点前角度を変化させるように構成したものである。

上記実施例１はタンク１３内の圧力が高い場合や電源１からの供給電力が少ない場合に下死点からの起動では吐出弁を動作させて圧縮気体をタンク１３内部へ吐出できない場合に圧縮機の起動を容易にすることが目的であって、通常逆回転時においても圧縮工程から吐出弁開放し上死点に至る間においてシリンダ内圧の高さによってモータ９がロックしたり脱調したりしてしまうことがある。そのため、実施例２では変形例として、図１０の「下死点前停止角度変更特性」ように、あらかじめタンク内圧力と吐出弁の開放する特性を測定し、測定された下死点前角度に対し所定の予裕度を持った停止角度ＢＢＤＣ＿ＬとＢＢＤＣ＿Ｈを制御装置２の記憶回路８に記憶しておく。そして、タンク１３の圧力に応じて再起動時の逆回転させる下死点前角度を変化させる。

本実施例によれば、タンク内圧力に応じて再起動時に逆回転させる下死点前角度を変化させることにより、逆回転時にモータがロックしたり脱調したりすることが無くなる。

本発明の実施例３は、電源電圧に応じて再起動時に逆回転させる下死点前角度を変化させるように構成したものである。

圧縮機の設置される電源環境によっては、圧縮機を逆回転させる場合、通常電圧時に回転可能な角度（たとえばＢＢＤＣ＿Ｌ）に比して、電圧が低下した場合にはその角度に至る手前で電力が不足してしまい、停止してしまう。そこで、制御装置２内に構成された電圧検出回路６によって計測された電源電圧の情報を制御回路７で監視し、再起動時の電源電圧が通常に比べて低い場合には通常の逆回転停止角度ＢＢＤＣ＿Ｌに比して小さい値、たとえば図１１の「低電圧時下死点前停止角度変更特性」のようにＢＢＤＣ＿Ｌ６５をあらかじめ設定し、電圧の一次関数として逆回転時の停止角度を制御回路７によって演算する。そして、電源電圧に応じて、演算した逆回転時の停止角度まで再起動時に逆回転させる。

本実施例によれば、低電圧時においても圧縮機の異常停止を防ぐことが可能となる。

本発明の実施例４は、電源電圧が正常な範囲にある場合には、再起動時に逆回転を行わないように構成したものである。

一般的に電源電圧がある一定以上の正常な範囲にある場合、圧縮機としては起動や運転に必要な電力が十分に供給されているから、実施例１の制御方法を実施した場合には、起動応答性の悪さや、消費電力量の増加が懸念される場合がある。そのため電圧検出回路６によって計測された電源電圧がある所定以上の状態であった場合には、実施例１の制御方法を実施せず通常運転するように制御回路７によって制御する。このときの演算処理の流れ図を図１２に示す。

まず、圧縮機再起動時にステップ２０１にて位置センサ１１を用いて停止しているロータの回転角度を測定し、ステップ２０２では電圧検出回路６によって電圧を計測し、ステップ２０３で電源電圧が低下しているか（例えば９５Ｖ以下であるか）否かを演算装置７にて判断する。ステップ２０３でＹｅｓと判断された場合には図８と同様にステップ２０４〜２０８にてモータ９を逆回転と停止、正回転を実施する。ステップ２０３でＮｏと判断された場合には電圧が正常値であるから、ステップ２０９にて通常通りモータ９の正回転を開始して圧縮機を再起動させる。

本実施例によれば、電源電圧が正常な範囲にある場合には、再起動時に逆回転を行わないように構成したので、圧縮機の再起動時の応答性を上げることが可能となる。

１ 電源
２ 制御装置
３ 整流回路
４ インバータ回路
５ 電源電流検出回路
６ 電圧検出回路
７ 制御回路
８ 記憶回路
９ モータ
１０ 圧縮機本体
１１ 位置センサ
１２ 圧力センサ
１３ タンク
１４ 逆止弁
１５ レギュレータ
１６ 配管
１７ モータ電流検出回路
１８ 力率改善回路（ＰＦＣ）
１９ 出力信号（Ｕｐ／Ｕｎ／Ｖｐ／Ｖｎ／Ｗｐ／Ｗｎ）
２０ 位置信号（ＨＵ／ＨＶ／ＨＷ）
３１ ステータ
３２ コイル
３３ ロータ
４０１ パワー素子

Claims (5)

1. 圧縮気体を生成する圧縮機と、
   前記圧縮機を駆動する電動機と、
   前記電動機を駆動する駆動回路と
   前記圧縮気体を貯留するタンクと、
   前記駆動回路を制御する制御回路と
   からなる気体圧縮装置であって、
   前記制御回路は、前記圧縮機の起動時に、前記電動機の逆回転と正回転とを複数回繰り返し、シリンダ内部の圧縮気体の再膨張力を利用しながら徐々に下死点前角度と下死点後角度を大きくした後、前記電動機を正回転させて圧縮機を起動することを特徴とする気体圧縮装置。
2. 請求項１に記載の気体圧縮装置において、
   前記駆動回路は、インバータ回路で構成されていることを特徴とする気体圧縮装置。
3. 請求項１に記載の気体圧縮装置において、
   前記駆動回路へ電力を供給する電源の電圧を検出する電圧検出回路を備え、
   前記制御回路は、電源電圧が正常な範囲にある場合には、起動時に逆回転を行わないように構成したことを特徴とする気体圧縮装置。
4. 圧縮気体を生成する圧縮機と、前記圧縮機を駆動する電動機と、前記電動機を駆動する駆動回路と、前記圧縮気体を貯留するタンクと、前記駆動回路を制御する制御回路とからなる気体圧縮装置の起動方法であって、
   前記電動機の逆回転と正回転とを複数回繰り返し、シリンダ内部の圧縮気体の再膨張力を利用しながら徐々に下死点前角度と下死点後角度を大きくするステップと、
   前記電動機を正回転させて圧縮機を起動するステップと
   を備えることを特徴とする気体圧縮装置の起動方法。
5. 請求項４に記載の気体圧縮装置の起動方法において、
   電圧検出回路によって検出した電源電圧が低下しているかを判断するステップを備え、
   電源電圧が正常な範囲にある場合は、前記電動機の逆回転と正回転とを複数回繰り返し、徐々に下死点前角度と下死点後角度を大きくするステップを飛ばして、前記電動機を正回転させて圧縮機を起動するステップを行うことを特徴とする気体圧縮装置の起動方法。

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